JPH04321482A - Human power driven device equipped with motor - Google Patents
Human power driven device equipped with motorInfo
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- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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Abstract
Description
【０００１】0001
【産業上の利用分野】本発明は、人力による駆動系と電
動モータによる駆動系とを並列に設けた電動モータ付き
人力駆動装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a human-powered drive system with an electric motor, in which a human-powered drive system and an electric motor-based drive system are provided in parallel.
【０００２】0002
【発明の背景】自転車などの人力により駆動する装置に
おいて、登坂時などの負荷の増大時に人力の負荷を減ら
すために電動モータを併用し、しかも自転車的な運転感
覚も失わないようにした駆動装置を、本願の出願人は以
前に提案した（特願平２−２１４９４７号）。この既提
案のものは人力による駆動系と並列に電動モータによる
駆動系を設け、人力による駆動系の負荷変化に対応して
電動モータの出力を変化させるものである。[Background of the Invention] In devices driven by human power, such as bicycles, a drive device uses an electric motor in combination to reduce the load on human power when the load increases, such as when climbing a hill, while still maintaining the bicycle-like driving feeling. The applicant of the present application previously proposed (Japanese Patent Application No. 2-214947). In this proposed system, a drive system using an electric motor is provided in parallel with a human-powered drive system, and the output of the electric motor is changed in response to changes in the load on the human-powered drive system.
【０００３】ここにクランクペダルを用いて人力による
駆動を行う場合には、クランク軸の回転角度（クランク
角）によってその駆動トルクが周期的に変化する。この
ためクランク軸の回転に伴ってモータ出力も同期して周
期的に変化することになる。このようにモータの出力が
周期的に変化する際には、モータ電流も同様に周期的に
変化することになるが、一般に電池などの電源では電流
の２乗に比例した内部損失が発生するから、電流が周期
的に増減することは電池の消耗を増やすことになり望ま
しくない。When a crank pedal is used for manual driving, the driving torque changes periodically depending on the rotation angle (crank angle) of the crankshaft. Therefore, the motor output also changes periodically in synchronization with the rotation of the crankshaft. When the motor output changes periodically in this way, the motor current also changes periodically, but in general, internal losses proportional to the square of the current occur in power sources such as batteries. However, it is undesirable for the current to periodically increase and decrease because it increases battery consumption.
【０００４】0004
【発明の目的】本発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、電動モータの駆動系に用いる電池の消耗を
少なくし、この駆動系を併用した場合の走行距離を延長
できるようにした電動モータ付き人力駆動装置を提供す
ることを目的とする。[Object of the Invention] The present invention was made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to reduce the consumption of batteries used in the drive system of an electric motor, and to extend the traveling distance when this drive system is used in combination. The purpose is to provide a human power drive device with an electric motor.
【０００５】[0005]
【発明の構成】本発明によればこの目的は、クランクペ
ダルを用いた人力による駆動系と、電池を用いた電動モ
ータによる駆動系とを並列に設けた電動モータ付きの人
力駆動装置において、前記人力による駆動系の負荷を検
出する負荷検出手段と、前記クランクペダルにより回転
駆動されるクランク軸の回転角度を検出するクランク角
検出手段と、この検出したクランク角を用いて前記人力
による駆動系の平均負荷を求める平均負荷検出手段と、
この検出した平均負荷に対し所定の変換特性をもって前
記電動モータの出力を制御するコントローラとを備える
ことを特徴とする電動モータ付き人力駆動装置により達
成される。According to the present invention, the object is to provide a human-powered drive system with an electric motor in which a human-powered drive system using a crank pedal and a drive system based on an electric motor using a battery are provided in parallel. load detection means for detecting the load on the human-powered drive system; crank angle detection means for detecting the rotation angle of the crankshaft rotationally driven by the crank pedal; average load detection means for determining the average load;
This is achieved by a human power drive device with an electric motor, which is characterized by comprising a controller that controls the output of the electric motor with a predetermined conversion characteristic with respect to the detected average load.
【０００６】[0006]
【実施例】図１は本発明の概念を示すブロック図、図２
は自転車への適用例を示す図、図３はその駆動系の展開
図、図４と図５はその負荷検出手段の例を示す図、図６
は人力の駆動トルクから電動モータの駆動トルクを決め
るための変換特性を示す図である。[Example] Fig. 1 is a block diagram showing the concept of the present invention, Fig. 2
is a diagram showing an example of application to a bicycle, FIG. 3 is an exploded view of its drive system, FIGS. 4 and 5 are diagrams showing an example of its load detection means, and FIG.
FIG. 2 is a diagram showing conversion characteristics for determining the drive torque of the electric motor from the drive torque of human power.
【０００７】図２において符号１０は駆動輪である後輪
、１２は操向前輪、１４は操向ハンドル、１６はシート
、１８はクランクペダルである。ペダル１８から後輪１
０に至る人力駆動系２０（図１）は、このペダル１８を
保持するクランク軸２２と、傘歯車２４と、ドライブ軸
２６と、傘歯車２８とで形成される。ドライブ軸２６の
途中にはこの人力による駆動力すなわち駆動トルクＴｈ
を検出する負荷検出手段３０が介在されている。この
負荷検出手段３０は、例えば図４に示すように、クラン
ク軸２２側の軸半体２６ａと後輪１０側の軸半体２６ｂ
に接続された捩り棒ばね３２と、両軸半体２６ａ、２６
ｂ間の相対角度変化を求めるポテンショメータ（例えば
回転摺動抵抗）３４とで構成される。また図５のように
ドライブ軸２６の途中を小径にし、この小径部２６ｃの
捩れを歪みゲージ３６で検出する構造であってもよい。
これらポテンショメータ３４や歪みゲージ３６の信号ａ
は、例えばスリップリング（図示せず）を介して取出さ
れる。In FIG. 2, numeral 10 is a rear wheel which is a driving wheel, 12 is a steering front wheel, 14 is a steering handle, 16 is a seat, and 18 is a crank pedal. Pedal 18 to rear wheel 1
The human power drive system 20 (FIG. 1) that reaches 0 is formed by a crankshaft 22 that holds the pedal 18, a bevel gear 24, a drive shaft 26, and a bevel gear 28. In the middle of the drive shaft 26, there is a driving force generated by this human power, that is, a driving torque Th.
A load detecting means 30 is interposed for detecting. For example, as shown in FIG. 4, this load detection means 30 includes a shaft half 26a on the crankshaft 22 side and a shaft half 26b on the rear wheel 10 side.
torsion bar spring 32 connected to both shaft halves 26a, 26
A potentiometer (for example, a rotating sliding resistor) 34 determines the relative angle change between the two positions. Alternatively, as shown in FIG. 5, the drive shaft 26 may have a small diameter in the middle, and the torsion of the small diameter portion 26c may be detected by a strain gauge 36. The signal a of these potentiometers 34 and strain gauges 36
is removed, for example, via a slip ring (not shown).
【０００８】ドライブ軸２６には、負荷検出手段３０と
後輪１０との間にモータ駆動手段４０が設けられている
。このモータ駆動手段４０は例えば直流モータ４２と、
このモータ４２の回転を減速してドライブ軸２６に伝え
るウォーム歯車機構４４と、モータ４２とウォーム歯車
機構４４との間に介在するクラッチ４６とを有する。こ
のクラッチ４６は、例えばワンウェイクラッチや電磁ク
ラッチなどで構成する。A motor drive means 40 is provided on the drive shaft 26 between the load detection means 30 and the rear wheel 10. This motor drive means 40 includes, for example, a DC motor 42,
It includes a worm gear mechanism 44 that decelerates the rotation of the motor 42 and transmits it to the drive shaft 26, and a clutch 46 interposed between the motor 42 and the worm gear mechanism 44. This clutch 46 is composed of, for example, a one-way clutch or an electromagnetic clutch.
【０００９】クランク軸２２の回転角度すなわちクラン
ク角θは、クランク角検出手段５０により検出される。
このクランク角検出手段５０は、クランク軸２２に固定
された歯車５２と、この歯車５２を挾んで対向配置され
た発光素子５４および受光素子５６とを有する。なお発
・受光素子５４、５６は、歯車５２の歯の周期に対して
９０°の位相差をもって２対設けられているが、図３で
は１対のみが示されている。従って２つの受光素子５６
の出力に基づいてクランク軸２２の回転方向と回転量と
を検出することができる。また歯車５２の歯の間隔を一
部変化させたり、他の基準位置を示す切欠きなどを設け
ることによりクランク軸２２の基準角度位置も検出でき
る。この結果クランク角θの絶対角度を常に検出するこ
とができる。The rotation angle of the crankshaft 22, ie, the crank angle θ, is detected by a crank angle detection means 50. The crank angle detecting means 50 includes a gear 52 fixed to the crankshaft 22, and a light emitting element 54 and a light receiving element 56 arranged opposite to each other with the gear 52 in between. Note that two pairs of the light emitting/receiving elements 54 and 56 are provided with a phase difference of 90° with respect to the period of the teeth of the gear 52, but only one pair is shown in FIG. 3. Therefore, two light receiving elements 56
The rotational direction and rotation amount of the crankshaft 22 can be detected based on the output of the crankshaft 22 . Further, the reference angular position of the crankshaft 22 can also be detected by partially changing the spacing between the teeth of the gear 52 or by providing a notch that indicates another reference position. As a result, the absolute angle of the crank angle θ can always be detected.
【００１０】次にコントローラ６０について説明する。
コントローラ６０はマイクロコンピュータ（以下ＣＰＵ
という）６２と、動作プログラムや種々のデータ等を記
憶するＲＯＭ６４とを備える。この実施例では、ＣＰＵ
６２は負荷検出手段３０により検出した人力による駆動
トルクＴｈ の平均値Ｔｈｍを求める平均負荷検出手段
６６の機能を持つ。Next, the controller 60 will be explained. The controller 60 is a microcomputer (hereinafter referred to as CPU).
) 62, and a ROM 64 that stores operating programs and various data. In this example, the CPU
Reference numeral 62 has the function of an average load detection means 66 for determining the average value Thm of the human-powered drive torque Th detected by the load detection means 30.
【００１１】平均負荷検出手段６６は、クランク軸２２
の回転角度すなわちクランク角θの変化によるトルクＴ
ｈ の変動を消すものである。すなわちクランク角θ（
ｄｅｇ ）に対してトルクＴｈ は図７の実線Ａのよう
に周期的に変化する。一般にはこの実線ＡはトルクＴｈ
の変化に対して振幅が変化するだけで波形はあまり変
化しない。
そこで平均負荷すなわち平均トルクＴｈｍは次の３つの
方法のいずれかにより求めることが可能である。The average load detecting means 66 detects the crankshaft 22.
Torque T due to change in rotation angle, that is, crank angle θ
This eliminates the fluctuation of h. In other words, the crank angle θ(
deg), the torque Th changes periodically as shown by the solid line A in FIG. Generally, this solid line A is the torque Th
The waveform does not change much, only the amplitude changes in response to changes in . Therefore, the average load, that is, the average torque Thm can be determined by any of the following three methods.
【００１２】■ θ＝４５°（θ１ ）、１３５°（
θ２ ）、２２５°（θ３ ）、２１５°（θ４ ）
におけるトルクＴｈ は、最大値と最小値の中間値にな
るから、これらのクランク角θ１ …θ４ におけるト
ルクＴｈ を平均値Ｔｈｍとする。■ θ＝０°、１
８０°（それぞれθｍ１，θｍ２）でトルクＴｈ は最
小値Ｔｈ （ｍｉｎ ）になり、またθ＝９０°、２７
０°（それぞれθＭ１、θＭ２）で最大値Ｔｈ（Ｍａｘ
）になるから、その算術平均を平均値Ｔｈｍとする。
すなわち
Ｔｈｍ＝［Ｔｈ （ｍｉｎ ）＋Ｔｈ （Ｍａｘ ）］
／２とする。■ θ＝０から９０°までの微小な一定
角度毎にとったトルクＴｈ のサンプル値Ｔ（θ）を積
算し、この積算値ΣＴ（θ）をサンプル数ｎで除算する
ことにより平均値Ｔｈｍを求める。
Ｔｈｍ＝ΣＴ（θ）／ｎ■ θ=45°(θ1), 135°(
θ2 ), 225° (θ3 ), 215° (θ4 )
Since the torque Th at these crank angles θ1...θ4 is an intermediate value between the maximum value and the minimum value, the torque Th at these crank angles θ1...θ4 is set as the average value Thm. ■ θ=0°, 1
At 80° (θm1 and θm2, respectively), the torque Th becomes the minimum value Th (min), and when θ=90°, 27
The maximum value Th (Max
), the arithmetic mean is taken as the average value Thm. That is, Thm = [Th (min) + Th (Max)]
/2. ■ Calculate the average value Thm by integrating sample values T(θ) of torque Th taken at every small fixed angle from θ=0 to 90°, and dividing this integrated value ΣT(θ) by the number of samples n. demand. Thm=ΣT(θ)/n
【００１３】なおトルクＴｈ が著しく大きい運転条件
下では、図７の実線Ａは実際には振幅が大きくなるだけ
でなく、同図に仮想線Ｂで示すようにクランク角θの位
相も遅れて来る。従ってこのことを考慮して、トルクＴ
ｈが大きい時に前記■、■の各方法におけるθ１ …θ
４ 、θｍ１、θＭ１…のクランク角を補正する手段を
設けてもよい。また■の方法に対しては積分範囲（０−
９０°）を変えたり、任意の１８０°の範囲で積分を行
うようにしてもよい。Note that under operating conditions where the torque Th is extremely large, not only does the amplitude of the solid line A in FIG. 7 actually increase, but the phase of the crank angle θ also lags, as shown by the virtual line B in the figure . Therefore, taking this into consideration, the torque T
When h is large, θ1 in each method of ■ and ■ above...θ
4, θm1, θM1... may be provided with means for correcting the crank angles. Also, for method ■, the integral range (0-
90°) or may perform integration over an arbitrary range of 180°.
【００１４】なお人力による駆動トルクＴｈ は走行中
に常に変動するから、前記の実施例のように求めた或る
周期内での平均値Ｔｈｍはこれに続く次の周期での平均
値Ｔｈｍとは異なる値になる。従って平均値Ｔｈｍは時
間経過に対して階段状に変化することになる。そこでこ
の平均値Ｔｈｍの急激な変化を防ぐために平均値Ｔｈｍ
を平滑化するのが望ましい。[0014] Since the driving torque Th caused by human power constantly changes during driving, the average value Thm within a certain cycle determined as in the above embodiment is different from the average value Thm in the next cycle. result in different values. Therefore, the average value Thm changes stepwise over time. Therefore, in order to prevent sudden changes in this average value Thm, the average value Thm
It is desirable to smooth the
【００１５】さらにクランク軸２２の回転が停止した時
や極端に遅くなった時には、前記の方法では平均値Ｔｈ
ｍが求められなくなったり、不正確になる問題がある。
そこでこのような場合すなわち平均値を求める期間（周
期）が予め決めた設定時間を超えて長くなった時には、
平均値の求め方を変更するのが望ましい。例えばクラン
ク角と関係なく十分に短い時間内でのトルクＴｈ を積
分してその間の平均値を求めたり、平均値を用いずに検
出したトルクＴｈ をそのまま用いてもよい。Furthermore, when the rotation of the crankshaft 22 stops or becomes extremely slow, the average value Th
There is a problem that m cannot be determined or becomes inaccurate. Therefore, in such a case, that is, when the period (cycle) for calculating the average value becomes longer than the predetermined setting time,
It is desirable to change the way the average value is calculated. For example, the torque Th over a sufficiently short period of time may be integrated regardless of the crank angle to obtain an average value over that time, or the detected torque Th may be used as is without using the average value.
【００１６】なおこの実施例では、平均負荷検出手段６
６はコントローラ６０のＣＰＵ６２が持つものとして、
すなわちＣＰＵ６２の動作プログラムとして持つものと
して説明したが、ＣＰＵ６２から独立した回路として構
成してもよいのは勿論である。In this embodiment, the average load detecting means 6
6 is assumed to be held by the CPU 62 of the controller 60,
That is, although the explanation has been made as having the CPU 62 as an operating program, it is of course possible to configure it as a circuit independent from the CPU 62.
【００１７】以上のようにして求めた人力による駆動ト
ルクＴｈ の平均値Ｔｈｍは、ＣＰＵ６２においてモー
タ駆動トルクＴＭ を決定するために用いられる。すな
わちＣＰＵ６２はＲＯＭ６４にメモリした動作プログラ
ムに従い、平均値Ｔｈｍに対して所定の関係を持ってモ
ータトルクＴＭ を求める。例えば図６にＡで示すよう
に、直線関係を持たせたり、Ｂ、Ｃのように増加率に漸
減、漸増特性を持たせることができる。The average value Thm of the human-powered drive torque Th obtained as described above is used by the CPU 62 to determine the motor drive torque TM. That is, the CPU 62 determines the motor torque TM in accordance with the operating program stored in the ROM 64 in a predetermined relationship with respect to the average value Thm. For example, as shown by A in FIG. 6, it is possible to have a linear relationship, or as shown in B and C, the rate of increase can have a gradual decreasing or increasing characteristic.
【００１８】これらのＡ、Ｂ、Ｃの特性を得る場合には
、例えばＲＯＭ６４にこの特性Ａ、Ｂ、Ｃをメモリして
おき、人力駆動の平均トルクがＴｈｍの時に発生させる
べきモータ駆動トルクＴＭ をＲＯＭ６４から読出し、
この駆動トルクＴＭ を発生するモータ電流を供給する
ようにゲート信号を出力させる。In order to obtain these characteristics A, B, and C, for example, store these characteristics A, B, and C in the ROM 64, and calculate the motor drive torque TM to be generated when the average torque of human power drive is Thm. is read from ROM64,
A gate signal is output to supply the motor current that generates this drive torque TM.
【００１９】図２において７０は電池、７２はトランジ
スタなどの主スイッチング素子であり、これらはモータ
４２と共に閉じた主回路を形成する。電池７０は図２に
示すようにクランクペダル１８の上方に搭載され、また
シート１６の下には主スイッチング素子７２およびコン
トローラ６０は制御箱７４に収容される。このコントロ
ーラ６０は、例えば主スイッチング素子７２を高速でス
イッチングし、目標の駆動トルクとなるようにモータ電
流の通流率を制御するチョッパ方式とすることができる
。In FIG. 2, 70 is a battery, and 72 is a main switching element such as a transistor, which together with the motor 42 form a closed main circuit. The battery 70 is mounted above the crank pedal 18 as shown in FIG. 2, and the main switching element 72 and controller 60 are housed in a control box 74 below the seat 16. This controller 60 can be of a chopper type, for example, which switches the main switching element 72 at high speed and controls the conduction rate of the motor current so that the target drive torque is achieved.
【００２０】以上の実施例は図６の制御特性により人力
駆動力を軽くするようにモータの駆動力を付加している
が、本発明は反対に人力駆動力の増大に対してモータの
制動力を発生させるようにして、人力駆動力を増加させ
るようにしてもよい。この場合には人力の負荷が増える
から体力増進に適すると共に、降坂時などに一種のエン
ジンブレーキの作用を持たせることができる。ブレーキ
センサによりブレーキをかけたことを検出してモータに
ブレーキ力を発生させるようにしてもよい。In the above embodiment, the motor driving force is added to reduce the manual driving force using the control characteristics shown in FIG. The human power driving force may be increased by generating . In this case, the load on human power increases, so it is suitable for increasing physical strength, and it can also provide a kind of engine braking effect when going downhill. A brake sensor may detect that the brake has been applied and cause the motor to generate braking force.
【００２１】この発明は自転車だけでなく、人力駆動の
３、４輪車、身障者用の車、リハビリ用機器、遊具、フ
ィットネス機器、ロボットなどにも適用でき、これらを
包含する。The present invention is applicable not only to bicycles, but also to and includes human-driven three- and four-wheeled vehicles, vehicles for the handicapped, rehabilitation equipment, play equipment, fitness equipment, robots, and the like.
【００２２】[0022]
【発明の効果】本発明は以上のように、人力による駆動
系の駆動トルク（Ｔｈ ）の平均値（Ｔｈｍ）を求め、
この平均値（Ｔｈｍ）に対し所定の変換特性をもって電
動モータによる駆動トルク（ＴＭ ）を制御するもので
あるから、クランク軸の回転に伴い人力駆動トルク（Ｔ
ｈ ）が周期的に変化してもモータ駆動トルク（ＴＭ
）は周期的に変動せず、モータ電流の変動も小さくなる
。このためモータを駆動するための電池の消耗も少なく
なりモータを併用しながらの走行距離を長くすることが
できる。また変速装置やスロットルレバーなどを全く操
作することなく自動的にモータのアシスト力を制御する
ことができ、自転車感覚を全く損うことなく人力を軽減
しつつ円滑な走行が可能になる。さらにモータによりブ
レーキ力を発生させれば、体力増強に適するものとなる
。[Effects of the Invention] As described above, the present invention calculates the average value (Thm) of the drive torque (Th) of the human-powered drive system,
Since the drive torque (TM) by the electric motor is controlled using a predetermined conversion characteristic with respect to this average value (Thm), the human drive torque (Thm) is controlled as the crankshaft rotates.
Even if the motor drive torque (TM
) does not fluctuate periodically, and the fluctuations in the motor current become smaller. Therefore, the consumption of the battery for driving the motor is reduced, and the distance traveled can be increased while using the motor in combination. In addition, the assist force of the motor can be automatically controlled without operating the transmission or throttle lever at all, making it possible to ride smoothly while reducing human effort without compromising the feeling of cycling. Furthermore, if the braking force is generated by a motor, it becomes suitable for increasing physical strength.
【図１】本発明の概念を示すブロック図[Figure 1] Block diagram showing the concept of the present invention
【図２】自転車
への適用例を示す図[Figure 2] Diagram showing an example of application to bicycles
【図３】その駆動系の展開図[Figure 3] Developed diagram of the drive system
【図４】その負荷検出手段の例を示す図[Figure 4] Diagram showing an example of the load detection means
【図５】同じく
負荷検出手段の他の例を示す図[Fig. 5] A diagram showing another example of the load detection means.
【図６】人力による駆動
トルクとモータによる駆動トルクの変換特性図[Figure 6] Conversion characteristic diagram of drive torque by human power and drive torque by motor
【図７】人力による駆動トルクの周期的変化を示す図[Figure 7] Diagram showing periodic changes in drive torque due to human power
１０ 駆動輪 ２０ 人力駆動系 ３０ 負荷検出手段 ４０ モータ駆動系 ４２ モータ ５０ クランク角検出手段 ６０ コントローラ 10 Drive wheel 20 Human power drive system 30 Load detection means 40 Motor drive system 42 Motor 50 Crank angle detection means 60 Controller
Claims (1)
動系と、電池を用いた電動モータによる駆動系とを並列
に設けた電動モータ付き人力駆動装置において、前記人
力による駆動系の負荷を検出する負荷検出手段と、前記
クランクペダルにより回転駆動されるクランク軸の回転
角度を検出するクランク角検出手段と、この検出したク
ランク角を用いて前記人力による駆動系の平均負荷を求
める平均負荷検出手段と、この検出した平均負荷に対し
所定の変換特性をもって前記電動モータの出力を制御す
るコントローラとを備えることを特徴とする電動モータ
付き人力駆動装置。Claim 1: A human-powered drive system with an electric motor in which a human-powered drive system using a crank pedal and a drive system using an electric motor using a battery are installed in parallel, a load for detecting the load of the human-powered drive system. a detection means, a crank angle detection means for detecting a rotation angle of a crankshaft rotationally driven by the crank pedal, and an average load detection means for calculating an average load of the human-powered drive system using the detected crank angle; A human power drive device with an electric motor, comprising: a controller that controls the output of the electric motor with predetermined conversion characteristics with respect to the detected average load.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03116649A JP3105570B2 (en) | 1991-04-22 | 1991-04-22 | Manual drive with electric motor |
Applications Claiming Priority (1)
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